Бионические люди

Медицинские технологии, которые действительно могут сделать нас лучше, быстрее, сильнее…

Специалисты по бионике трудятся над созданием механических и электронных устройств, имитирующих биологические функции организма человека. Ведь по существу весь человеческий организм, за исключением мозга, можно собрать заново с использованием комбинации механических, электронных и бионических технологий.

Бионическая конечность отражает строение человека. Твердые материалы, такие как алюминий и углеродное волокно, заменяют скелет, двигатели и гидравлика отвечают за движение конечности, сухожилия заменяются пружинами, которые сохраняют и высвобождают потенциальную энергию упругой деформации. Компьютер управляет движением и прохождением сигналов по электрическим проводам, как по нервам в настоящей конечности. Теперь пациенты могут управлять такими конечностями с помощью своего мозга.

Ученые работают над заменой отдельных мышц и сухожилий после травм. Искусственные мышцы формируются из полимерного геля, который расширяется и сжимается в ответ на электрические сигналы, подобно человеческим мышцам. Сухожилия состоят из тонких синтетических волокон, которые способны работать почти как настоящая соединительная ткань.

Механическая природа конечностей делает их превосходными кандидатами на создание роботизированных аналогов. То же самое относится к человеческому сердцу и легким. Два желудочка, которые снабжают кровью тело, и легкие заменяются камерами с гидравлическим приводом. Впрочем, заменить можно не только механические части человеческого тела; по прошествии какого-то времени могут быть воссозданы даже части сложной системы органов чувств.

К примеру, кохлеарные имплантаты используют микрофоны в качестве замены уха, а имплантаты сетчатки используют видеокамеры и вживляются в глаз. Полученные данные затем обрабатываются и преобразуются в электрические импульсы, которые передаются соответственно на слуховые или зрительные нервы, а затем в мозг. Ведется активная работа над созданием бионических датчиков осязания. Например, Калифорнийский университет в Беркли разрабатывает сенсорную электронную кожу, получившую название e-skin и представляющую собой покрытие из датчиков давления в гибкой пластиковой оболочке. Такая искусственная кожа позволит людям ощущать прикосновения к их бионическим конечностям.

Ведутся непрерывные исследования в области замены целых органов. Однако очень сложно воссоздать все специализированные биологические функции каждого пострадавшего органа.

Намного проще с помощью бионики заменить утраченную функциональность, если повреждения коснулись органа только частично. При диабете 1 типа продуцирующие инсулин бета-клетки поджелудочной железы разрушаются иммунной системой.

В настоящее время у некоторых пациентов есть искусственная поджелудочная железа: компьютер, который находится снаружи, отслеживает уровень сахара в крови и при необходимости вводит правильную дозу инсулина. Заменить целый орган гораздо сложнее, поэтому ученые возвращаются к биологии для изготовления искусственных органов. Объединив трехмерную печать с исследованиями стволовых клеток, мы теперь можем печатать клетки слой за слоем и наращивать ткани.

В будущем эта технология позволит пересаживать индивидуальные органы, изготовленные из собственных клеток реципиента. Достижения в бионике таковы, что уже появляются конечности, которые превосходят возможности человека в отношении скорости и поднятия веса. И, несмотря на все успехи бионики, сложное устройство наших внутренних органов и их взаимодействие не позволяют заменить все части тела человека механическим аналогом. Но, возможно, это всего лишь вопрос времени…

Управление протезом силой мысли

Передовые бионические конечности, разрабатываемые в настоящее время, позволяют человеку управлять движениями с помощью своих мыслей. Технически это называется «целевая мышечная реиннервация».

Ученый управляет инвалидным креслом, используя нейрокомпьютерный интерфейс

Это революционная хирургическая техника, которая перенаправляет нервы ампутированной конечности. Оставшиеся нервы, которые раньше тянулись к мышцам недостающей руки, перенаправляются к существующей мышце.

Когда человек начинает думать о том, что надо подвигать пальцами, мозг направляет сигнал по нервам, которые прикрепили к мышце. Мышца сокращается, и эти сокращения генерируют крошечные электрические сигналы, которые подхватываются протезом.

Протез запрограммирован реагировать на эти движения мышц, улавливая каждую комбинацию сигналов и переводя их в механическое движение руки. Самые сложные протезы содержат 100 датчиков, 26 подвижных соединений и 17 приводов, и все они координируются компьютером, встроенным в протез.

Совместимые материалы

Одним из наиболее важных факторов в биомедицинской инженерии является биосовместимость — взаимодействие различных материалов с биологическими тканями.

Материалы для имплантатов выбираются такие, чтобы они были «биологически инертны», и в результате они не вызывают иммунного ответа. Они могут включать титан, силикон и пластики, такие как PTFE (политетрафторэтилен — тефлон). Искусственные сердечные клапаны часто покрыты слоем сетчатой ткани, сделанной из того же пластика, который используется для бутылок с безалкогольными напитками, — дакрона. В биологическом контексте пластиковая сетка служит инертным каркасом, позволяя тканям сердца нарастать над клапаном, закрепляя его на месте. Некоторые каркасы, используемые в имплантатах, являются биоразлагаемыми, они обеспечивают временную поддержку растущей ткани, а затем безвредно растворяются в организме.

Искусственные сердечные клапаны часто делают из металла, например, из титана или стали

Бионические конечности носят на теле, поэтому материалы для них выбираются исходя из их прочности и гибкости, а не биосовместимости. Для создания отдельных элементов протеза используются алюминий, углеродные волокна и титан, что обеспечивает огромную механическую прочность.

Сборка бионического человека

Технологические достижения позволяют создавать конечности с компонентами, имитирующими функции скелета, мускулатуры, сухожилий и нервов человеческого тела. Для замены органов чувств могут быть использованы микрофоны, камеры, датчики давления и электроды.

Даже самый жизненно важный орган, — сердце, можно заменить гидравлическим насосом. Некоторые новейшие технологии настолько продвинуты, что компоненты, созданные с их использованием, превосходят их биологические аналоги.

Бионические конечности

В последние несколько десятилетий в сфере создания протезов конечностей произошел скачок. Они по-прежнему сохраняют характерные особенности, такие как внутренний каркас для структурной поддержки и приемное гнездо для присоединения к месту ампутации, однако самые инновационные модели теперь способны воспроизводить естественные движения или даже превосходить их. Вместо мышц используются двигатели, вместо сухожилий — пружины и вместо нервов — провода.

Движение большинства протезов контролируется извне, с использованием кабелей, прикрепленных к другим частям тела, или с помощью ряда кнопок и переключателей. Появляются новые технологии, позволяющие человеку осуществлять движение бионической конечности с помощью мыслей. Следующим логическим шагом в этом процессе является разработка технологии, которая позволит протезной конечности ощущать прикосновения и передавать информацию об этом человеку. Исследователи, финансируемые Агентством передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA), разработали технологию под названием FINE, которая обеспечивает непосредственный контакт нервов с электродами, позволяя передавать в мозг информацию с датчиков.

Имплантат сетчатки Argus II компании Second Sight

Камера, установленная на очках, фиксирует изображения в реальном времени и передает их по беспроводной связи на имплантат на сетчатке. Имплантат содержит 60 электродов и, в зависимости от изображения, генерирует различные шаблоны электрических сигналов, которые затем направляются в оставшиеся здоровые клетки сетчатки. Эти клетки активируются сигналами и передают визуальную информацию в мозг для обработки.

Кохлеарный имплантат Nucleus 6 компании Cochlear

Кохлеарный имплантат Nucleus 6 состоит из четырех основных компонентов. Микрофон, размещаемый около уха, регистрирует звук и передает сигнал звуковому процессору. Затем процессор выравнивает сигнал и отправляет его на встроенный передатчик. Передатчик направляет сигнал имплантированному приемнику/стимулятору, который преобразует его в электрические сигналы для электродов. Наконец, эти сигналы передаются на слуховой нерв.

Искусственное сердце Total Artifi cial Heart компании SynCardia Systems

Пластиковое сердце может быть имплантировано для замены двух желудочков сердца. Для замены клапанов служат пластиковые трубки, а к ним уже прикрепляются две искусственные камеры. Сердце подключается к пневматическому насосу, который носится в рюкзаке, и посылает воздушные потоки в камеры, создавая давление, необходимое для прокачки крови по сосудам тела.

Операция по вживлению искусственного сердца стоит около 125 тыс. долларов США и еще 18 тыс. долларов в год необходимо для поддержания прибора в рабочем состоянии.

Будущее бионики

1. Трехмерная печать органов. Трехмерная печать — это будущее промышленности, и уже сейчас биологи адаптируют эту технологию для печати органов с использованием живых человеческих клеток. Клетки укладываются слоями, чередуясь с поддерживающим прозрачным гелеподобным материалом. Когда клетки срастаются, поддерживающий слой растворяется.
2. Экзоскелет.Компания Ekso Bionics разрабатывает бионические экзоскелеты, чтобы люди с параличом нижних конечностей могли ходить. Экзоскелет поддерживает тело пациента и с помощью датчиков движения регистрирует жесты, а затем преобразует их в движения.
3. Искусственная почка. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско работают над созданием бионической почки. Размером приблизительно с бейсбольный мяч, она содержит мембраны с наноотверстиями для фильтрации поступающей крови. Также она будет содержать искусственные почечные клетки.
4. Рукотворный иммунитет. Ученые создали искусственные клетки под названием лейко-полимеросомы, которые имитируют клетки иммунной системы. Они могут определять поврежденные ткани и доставлять лекарственные вещества к пораженным местам в теле человека, в частности к раковым клеткам.
5. Роботизированные клетки крови. Сотрудники Института молекулярной технологии разрабатывают нанотехнологии, которые могут повысить способность крови к насыщению кислородом. Известные под названием «респироциты», клетки производятся атомом за атомом — в основном из углерода